揭秘宇宙的“黑暗面”

張唯誠

美國天文學家卡爾·薩根曾說：“我們是由恒星物質組成的。”意思是說，無論是恒星，還是地球、月亮，亦或是一個人、一條狗，都是由同樣的物質組成的，如碳、氫、氧……但近幾十年來，天文學家認為，宇宙中并非僅僅存在“恒星物質”，還有一些東西似乎在用一種出乎意料的方式影響星系運動，它們構成了“宇宙的黑暗面”，被稱為暗物質和暗能量。由于無法直接看見，天文學家不得不研究暗物質和暗能量對恒星和星系的影響，所以還是得觀測那些看得見的恒星和星系。

2017年年初，美國國家航空航天局的錢德拉X射線太空望遠鏡捕捉到一束不尋常的X射線輻射，被認為有可能是暗物質粒子發生衰變時產生的X射線信號。此前，類似發現也出現過，有時是X射線輻射，有時是伽馬射線輻射，但均未被此后的研究證實它們真的來自暗物質的衰變或者湮滅。

人們現在已經知道，在宇宙中，暗物質的占有量位居第二，而暗能量居第一，最后才是我們熟悉的恒星物質，它們只占宇宙物質總質量的不足5%。假若我們信奉“眼見為實”，那么絕大部分宇宙我們就無法相信了。這樣的現實成就了現代科學中最大的疑問：我們的宇宙究竟是什么？除了已知粒子外，宇宙中究竟還有什么？

現在，全世界的物理學家都想發現暗物質粒子，也想了解暗能量。他們在地下實驗室里做實驗，他們用功能強大的太空望遠鏡獲取數據。一場破解“宇宙黑暗面”之謎的大競賽正在如火如荼地進行著。

暗物質的發現

我們知道，物體的質量越大，引力便越大。正是由于引力的存在，地球才會圍繞太陽旋轉，而不是脫離太陽直接飛走；同樣是引力，也讓科學家意識到了暗物質的存在。

1933年，美國加州理工學院的天體物理學家弗里茨·茲威基研究了一個遙遠的星系團—后發座星系團。這個星系團中的所有星系都因引力的作用而聚在一起。茲威基計算發現，僅靠星系團中可見部分的質量根本就無法解釋星系團的運動，除非把這個質量擴大100多倍。茲威基推測，一定有某些看不見的東西在那里，這種看不見的東西沒有確切的名字，他稱之為“暗物質”。

隨著時間的推移，越來越多有關暗物質存在的證據出現了。20世紀70年代，天文學家觀測到有些星系的旋轉方式很奇特，這種奇怪的運動只能用暗物質的影響來解釋。他們還發現，宇宙中星系的總質量確實遠遠大于星系中可見星體質量的總和，這也為暗物質理論提供了重要依據。

探索暗物質的本質

美國太空望遠鏡科學研究所的丹·科主持了一項針對“阿貝爾1689”的星系團的研究。這個星系團距離地球22億光年。由于大量暗物質的存在，巨大的引力使它宛若一個宇宙中的“放大鏡”，它背后遙遠星系發出的光都被這個“放大鏡”扭曲和放大了，這就是“引力透鏡”現象。這種現象有點類似哈哈鏡，它把現實中的景物改變和增強了。你還可以想象光線穿過水杯或者水池時發生彎曲的情形。正是這些變形的影像為天文學家推測星系團中的暗物質提供了線索，從而讓丹·科等人標示出了其中暗物質的分布情況。

然而，證明暗物質的存在并不等于有關暗物質的問題就解決了，科學家還必須找到組成暗物質的粒子，而這項工作更加困難，迄今收效甚微。盡管人們設計了很多實驗，但多局限在“排除法”，即用各種實驗排除一些暗物質的“候選者”，但尚未能主動地捕捉到暗物質粒子。

普通物質由質子、中子和電子組成，稱為“重子物質”，而暗物質則屬于非重子物質。它們的行為很不平常。想象一下，數以億計的暗物質粒子正在穿透你的身體，它們運動得非常快，接近90萬千米每小時；它們穿越原子，仿佛那些原子根本就不存在；暗物質粒子不反光，它們對電流和磁場也毫無反應。

尋找暗物質粒子

科學家想出了很多理論去解釋暗物質，也想出了很多辦法尋找暗物質粒子。隨著研究和實驗的進行，有的“候選者”被排除了，例如中微子。盡管中微子的存在已被證實，但科學家發現，中微子不足以彌補宇宙中缺失的質量，所以中微子無助于破解暗物質的奧秘。

另一種未被排除的粒子名為中性子，是一種“弱相互作用大質量粒子”，簡稱WIMP。它有一些質量，但很少和其他粒子在一起。一些科學家相信，WIMP是暗物質粒子最有希望的“候選者”。

目前，科學家正在依靠高能伽馬射線尋找WIMP。例如使用費米伽馬射線太空望遠鏡捕捉WIMP的蹤跡。費米望遠鏡長約2.8米，口徑約2.5米。最初被稱作“伽馬射線廣域空間望遠鏡”，后來為了紀念美籍意大利裔物理學家恩里科·費米而改用此名。盡管WIMP不會和可見光光子發生作用，但兩者撞在一起時會彼此摧毀對方而產生伽馬射線，這個過程被稱為“湮滅”。科學家認為，探測因“湮滅”而產生的伽馬射線能夠捕捉到WIMP的蛛絲馬跡。

用X射線太空望遠鏡也可以從事類似的搜尋，前面所述的錢德拉X射線太空望遠鏡探測到的X射線信號就是這樣的例子。

極深地下實驗室

尋找暗物質粒子也可以在地下進行。雖然這些粒子只發生“弱相互作用”，但它們還是被認為能夠偶爾地撞入普通原子的原子核中。于是一些暗物質實驗就將目標鎖定在發現這種碰撞上。這樣的實驗要在地下進行，目的是避免受到其他粒子的污染。

在美國明尼蘇達州的一個礦井下，一項名為“低溫暗物質搜尋”（簡稱CDMS）的計劃正在進行當中。其原理是：當暗物質粒子撞擊CDMS探測器中的一個原子核時，會引起原子核的震動，從而讓科學儀器探測到。除美國外，英國、法國、意大利、日本等國也都建立了自己的地下實驗室，這些實驗室位于地下幾百米到一兩千米的地方，實驗設備和生活設施一應俱全。

2010年12月12日，我國首個極深地下實驗室—中國錦屏地下實驗室在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用，它的垂直巖石覆蓋達2400米，是世界一流的潔凈低輻射極深地下實驗室。有了這個實驗室，科學家便有了一個探測和研究暗物質的平臺，他們可以自主地開展暗物質粒子的搜尋和研究工作，還可以進行其他國際前沿基礎學科的研究。

迄今為止，暗物質粒子存在的證據依然缺乏。所以，有科學家開始懷疑暗物質的存在，其中一種觀點認為，在宇宙的尺度上，引力的法則有可能和我們在地球上的理解不一樣，在那樣的尺度下，人們發現的所謂暗物質也許只是引力表現出的另一種不同形式而已。

暗物質的對立面—暗能量

暗物質將物質束縛在一起，而暗能量則相反，它們將物質相互分開，很像暗物質的對立面。

天文學家通過觀測一種特殊的超新星發現了暗能量。這種超新星非常亮，能讓天文學家在很遠的地方看到它們，而且它們的亮度還非常一致。科學家通過對其研究，能了解宇宙在以怎樣的方式膨脹。

根據現有理論，宇宙產生于一次大爆炸，這意味著，絕大多數星系之間的距離會越來越大。要理解宇宙的這種運動，你可以在一只氣球上涂兩個相互鄰近的小點，然后把氣球吹大，這時你會發現兩個小點之間的距離拉大了；你還可以想象你正站在其中一個點上，你會看到另一個點離你越來越遠。但是，你怎樣知道那個小點離你有多遠，移動速度有多快呢？這就要用上超新星了。

超新星是恒星爆炸的產物，它們非常亮。假若我們觀測到一些超新星，知道了它們的亮度，并通過光譜研究知道它們遠離我們的速度，那就能推測宇宙膨脹的速度了。20世紀90年代，科學家正是基于上述考慮觀測了一些遙遠的超新星。出人意料的是，它們所在的地方比人們預想的更遠。這說明，宇宙膨脹的速度加快了。為什么宇宙的膨脹會變快呢？人們推測有一種神秘的力量在與引力抗衡，這種不可見的力量導致宇宙加速膨脹。科學家把這種力量歸咎于“暗能量”。

迎接宇宙觀的大變革

暗能量構成了宇宙中不可見的主要部分，它可能占了宇宙總質量的三分之二。如果說暗物質產生引力，試圖把物質結合在一起，那么暗能量就產生斥力，試圖將物質分開。科學家認為，暗能量是非常微弱的，它對較小的物體只產生微弱的作用，但由于暗能量無處不在，它們結合起來的力量就非常大，足以克服來自暗物質和普通物質共同產生的引力，并把宇宙從減速膨脹的狀態扭轉到加速膨脹的狀態上來。

到目前為止，暗物質和暗能量依然是最大的宇宙之謎。由于它們的總和占了宇宙物質總質量的近96%，假若人類不解開這道謎，就等于我們對96%的宇宙是不清楚的。假若解開了這道謎，那人類就獲得了認識宇宙的巨大進步。

科學家推測，也許人類正處在一個迎接重大科學發現的關鍵時刻，因為一旦人類對96%的“宇宙黑暗面”有了突破性的認識，那么人類的宇宙觀就會發生巨大的改變，人類對自然世界的認識就會出現根本性的變革，人們對時間、空間和物質的看法也就變得和過去完全不同了。